汽车充电模块技术壁垒分析

汽车充电模块技术壁垒分析汽车充电模块技术壁垒新能源汽车充电模块的关键技术主要涉及电力电子功率变换电路拓扑、嵌入式软件控制算法、高频磁性元件设计、大功率散热结构及先进制造工艺等方面，需要综合运用电路原理、现代计算机技术、通信技术、电力电子技术、电力自动化技术、机械设计技术、自动控制技术、模拟电子技术、数字电路技术等学科知识。充电模块内部结构复杂，内含电子元器件众多，单个充电模块内含超过2，500个电子元器件，是影响直流充电设备性能的重要部件。直流充电设备的快充能力是通过大电流和高压化来实现大功率的电能输出，这对充电模块的性能提出了更高的要求。随着电压和功率等级的提升，充电模块的电力电子功率变换电路拓扑、嵌入式软件控制算法、高频磁性元件设计、大功率散热结构设计等方面的难度也随之提高，同时也要保证其安全性和可靠性，对充电模块厂商提出了新的要求，进一步提高了充电模块的技术门槛。国内电动汽车充电设备市场容量充电桩其功能类似于加油站里面的加油机，可以固定在地面或墙壁，安装于公共建筑（公共楼宇、商场、公共停车场等）和居民小区停车场或充电站内，可以根据不同的电压等级为各种型号的电动汽车充电。随着我国新能源汽车行业高速发展，电动汽车销售量与保有量迅速增长，充电需求快速增长，同时充电桩产业支撑政策不断推出，政府补贴从补车转向补桩，从建设补贴拓展到运营补贴，推动新能源充电桩行业加速发展。2022年5月，《国家发展改革委等部门关于进一步提升电动汽车充电基础设施服务保障能力的实施意见》明确到十四五末，我国电动汽车充电保障能力进一步提升，形成适度超前、布局均衡、智能高效的充电基础设施体系，能够满足超过2000万辆电动汽车充电需求。到十四五末，我国电动汽车充电保障能力进一步提升，形成适度超前、布局均衡、智能高效的充电基础设施体系，能够满足超过2000万辆电动汽车充电需求。近年来我国充电桩保有量增长较快。2021年我国充电桩保有量为261．7万台，较上年同比增长55．7%。截止到2022年9月底，我国充电桩保有量已达448．8万台，较2015年扩张了68倍。从细分市场看，国内公共充电桩保有量已达163．6万台，占比36%，私人充电桩保持更快增长，保有量上升至285．2万台，占比64%。对公共充电桩来说，直流充电桩和交流充电桩两大类型占比结构较为稳定。其中交流充电桩93．1万台，直流充电桩70．4万台，占比分别为68．2%和31．8%。充电桩行业竞争概况目前我国正处于充电站基础设施建设的高峰期，相关企业持续涌入，其中设备零部件生产商（装备端）和充电桩运营商（运营端）是充电桩产业链最主要的环节。充电桩设备端的技术门槛相对较低，产品标准化程度较高，供应商数量多，因此市场竞争较充分。由于设备门槛低，充电桩整机制造商与元器件生产商、中下游的建造运营商有部分重合。比如特锐德虽主要负责充电桩的运营，但也进行充电设备元器件的生产，普天新能源和特斯拉的业务也兼顾了充电桩的整机制造和运营。充电桩运营商按商业模式分为运营商主导模式、车企主导模式、第三方充电服务平台主导模式三种，运营商主导模式运营管理效率高，为现阶段市场主要运营模式，现阶段公共充电桩运营商集中度较高。海外充电桩需求显著放量随着欧美新能源汽车销量快速增长，充电桩配套建设需求旺盛。在政策推动下各国有望加快发展，海外充电桩需求显著放量。欧美市场新能源汽车与公共充电桩的车桩比均较高。根据IEA统计，2021年欧洲新能源汽车保有量为550万辆，公共充电桩保有量为35．6万座，公共车桩比达15:1。2021年美国新能源汽车保有量为200万辆，公共充电桩保有量为11．4万座，公共车桩比达18:1。当前欧美新能源汽车市场配套基础设施建设明显不足，其充电桩市场存在较大改善空间。根据IEA预测，到2025年欧盟新能源汽车保有量有望达到2190万辆，2021-2025年复合增长率达41%，到2030年有望达到5800万辆，2025-2030年复合增长率达22%。根据IEA预测，到2025年美国新能源汽车保有量有望达到1100万辆，2021-2025年复合增长率达53%，到2030年有望达到3830万辆，2025-2030年复合增长率达28%。伴随着新能源汽车销量持续增长，欧美市场对充电桩的需求快速攀升。但目前欧美市场的车桩比远远落后于国内水平，在其政府补贴政策的积极推动下，欧美市场充电基础设施建设将迎来显著放量。欧洲方面，欧盟委员会于2021年7月发布了名为fitfor55环保减排一揽子计划，要求各成员国加快新能源汽车基础设施建设，确保主要道路每隔60公里就有1座电动汽车充电站，并提出到2025年建设100万台公共充电桩的目标。美国方面，2023年2月，拜登政府发布了全美电动汽车充电设施网络最终规定，计划在2030年前投资75亿美元在全美建设50万台公共充电桩。但要求联邦政府资助的电动汽车充电器必须在美国生产；并要求，从2024年7月起，55%的充电器成本需要来自美国零部件，同时特斯拉公司将向其他汽车型号开放其充电服务。充电桩中游运营处于垄断竞争格局充电桩产业链的中游为充电运营商，负责运营大型充电站或提供充电桩充电服务等，中游充电运营的投资成本大，需要较强的资金实力，属于重资本环节，是行业潜在入局者较难进入的一个环节。充电桩运营商按商业模式主要分为运营商主导模式、车企主导模式、第三方充电服务平台主导模式三种。运营商主导模式的运营管理效率高，为现阶段市场的主要运营模式，代表企业包括特来电、星星充电、国家电网、南方电网等。目前公共充电桩运营商集中度高。截至2022年末，全国充电运营企业所运营公共充电桩数量CR10达86．3%。其中CR4达64．6%，依次为特来电运营36．3万台，占比20．2%；星星充电运营34．2万台，占比19%；云快充运营25．9万台，占比14．4%；国家电网运营19．6万台，占比10．9%。按照不同的充电技术分类，目前充电桩主要分为直流充电和交流充电两大类。交流充电又称慢充，交流充电桩的技术成熟，结构较为简单，易于安装且成本较低，采用常规电压、充电功率小、充电慢，大多安装在居民小区停车场。直流充电又称快充，先将交流电转化为直流电，再通过充电插口直接给电池充电。直流充电桩的技术和设备较交流充电桩复杂，制造成本和安装成本等均较高，采用高电压、充电功率大、充电快，目前更适用于对充电时长要求较高的场景，如出租车、公交车等，一般安装在集中式的充电站。我国公共充电桩包含直流充电桩和交流充电桩两大类。目前仍以交流充电桩为主流，交流充电桩和直流充电桩大概占比为6：4。同时近三年来公共直流充电桩的占比逐年提升，2020-2022年，占比分别为38．3%、41%、42．3%。从欧洲充电桩市场结构来看，存量公共充电桩也主要以慢充桩为主，但近年来快充桩的占比呈逐年提升的趋势。从美国充电桩市场结构来看，存量公共充电桩同样主要以慢充桩为主，慢充桩占比略低于欧洲市场。2019年开始其快充桩的占比明显提升，且连续三年呈提升趋势。充电便利性和缩短充电时长是解决新能源汽车发展的痛点之一。目前市场上已有多款车型的续航里程达到500km以上，随着车辆续航里程不断增加，用户迫切需求更大功率的充电技术和更快的充电速度，希望充电时长在20min以内。快充技术加速应用对于推动新能源车快速发展至关重要。目前各国政策从顶层设计积极推动快充技术发展，未来快充桩占比有望逐步提高。电池充电电量=充电功率×充电时间，即充电功率越大，充电时间越短。充电功率=系统电压×充电电流。因此，实现快充有两条技术路线：一是大电流快充技术，一是高压快充技术。大电流快充技术，需要升级电芯的材料体系和结构，以提高单体电芯的最大充电电流，对电池的各个部分进行分区同时充电，对热管理要求高，技术难度较大，因此推广难度较大。此技术应用以特斯拉Model3为代表，最大充电电流可达700A，实现30分钟充80%电量。高压快充技术是目前车企实现快充的主流选择，该技术难度相对较小，成本相对可控。为了实现超级快充，缓解充电焦虑，目前主流新能源车企纷纷推出800V高压平台车型，并将于2023年陆续上市。后续高压快充车型将加速投放市场，预计到2025年国内高压快充车型销量有望突破500万辆，在新能源汽车中渗透率将达40%。实现高压快充需要搭配大功率直流充电桩，目前市场存量充电桩大多只能支持400V电压，快充需求推动充电桩技术变革，未来新建快充桩将大部分具备3C及以上大功率充电能力。充电桩核心部件需要升级适配，大功率充电模块需求提升，对于充电桩所采用的功率器件的耐压性、转换效率、导通损耗等性能要求也更高，并且需要快充液冷散热系统支持。具备相关技术储备的设备生产商将率先受益。换电站为充电桩之外的又一补能模式。与充电桩模式相比，换电模式的关键优势在于补能效率高，换电耗时不超5分钟。同时车电分离模式能够降低购车门槛，尤其适用于有运营成本控制压力的出租车、商用车的电动化推广。换电模式包括：底盘换电、侧方换电、分箱换电。目前底盘换电是市场的主流模式，约占80%的市场份额，主要用于乘用车；侧身换电约占8%的市场份额，主要用于商用车（重卡、矿卡等）；分箱换电目前应用较少，主要用于乘用车，其最大的优势是易实现换电统一标准化操作。换电站产业链的上游可以分为换电设备和动力电池厂商两大部分，中游为换电站运营商，下游为可换电的新能源汽车以及动力电池回收。换电模式主要包括集中充电模式和充换电模式。集中充电模式是通过集中型充电站对大量电池集中存储、集中充电、统一配送，并在电池配送站内对电动汽车提供电池更换服务。充换电模式是以换电站为载体，换电站同时具备电池更换和电池充电功能，站内包括供电系统、充电系统、电池更换系统、监控系统、电池检测与维护管理部分等。此外，换电模式的推广有利于汽车制造商或动力电池制造商作为回收主体提前锁定废旧电池来源，实现批量回收，从而提高回收利用效益。2021年国内新能源换电汽车销量约16万辆，同比增长1．6倍，市场渗透率约5%，保有量约25万辆，同比增长1．8倍。随着换电技术、商业模式不断成熟，新能源换电汽车市场有望实现高速增长。预计到2025年新能源换电汽车销量有望达192万辆，CAGR约86%，市场渗透率约16%，保有量有望达400万辆。近年来新能源汽车快速发展同样推动了换电站需求快速增长。2021年以来，换电模式得到了国家政策的大力支持，各地加大对换电站建设的力度。截至2022年末，全国换电站保有量达1973座，较上一年度增长52%。其中北京、广东、浙江、江苏、上海等地拥有换电站数量位居前五位，均超百座。目前，蔚来奥动新能源和伯坦科技为国内主要换电运营商，分别运营着1300座、565座和108座换电站，分别占比66%、29%、5%。蔚来规划于2023年新增1000座换电站，累计建成超过2300座换电站。在近年来各地政策的大力推动下，未来随着换电技术不断进步、商业模式逐步成熟，市场前景愈发明朗，换电运营商、主机厂、动力电池厂商纷纷角逐换电赛道。其中，换电运营商奥动新能源、伯坦科技加快与主流车企合作开发换电车型；蔚来、吉利、北汽、广汽、上汽、一汽、东风、长安、小鹏、哪吒、江淮等主机厂积极研发换电车型，部分车企已实现量产；动力电池厂商宁德时代、国轩高科、孚能科技等积极探索推进换电业务。展望未来，考虑快充技术的快速发展，在轻型车领域，换电技术的优势会有所削弱，预计换电技术将主要应用于快充较难实现的重卡等商用车领域。随着快充技术和换电技术持续进步优化，中长期有望形成快充+换电并存的新能源汽车配套基础设施格局。充电桩产业链分析新能源汽车充电桩产业链的上游为建设及运营充电桩所需要的元器件和设备生产商；中游为充电运营商；下游为各类电动汽车用户和充电服务运营解决商。其中设备生产商和充电桩运营商是充电桩产业链中最主要的环节。充电桩产业链的上游系各类元器件和充电设备生产商，提供各种充电桩元器件和充电设备，包括充电模块（IGBT、逆变器、变压器、整流器等）、配电滤波设备、监控计费设备、电池维护设备（断路器、熔断器等），以及其他元器件和设备包括接触器、连接器、电度表、显示屏、壳体、插头插座、线缆、充电枪等。充电设备即充电桩硬件设备的成本是充电桩的主要成本，占比90%以上。其中充电模块是充电桩的核心设备和主要成本来源，占充电桩硬件成本的50%左右。充电模块的主要功能为将交